JP2011182527A

JP2011182527A - 回転位置検出装置及びそれを備えた永久磁石同期モータ

Info

Publication number: JP2011182527A
Application number: JP2010043005A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yoshida; 一弘吉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP5625388B2

Abstract

【課題】回転部の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なうことができる回転位置検出装置を提供する。
【解決手段】Ｎ極及びＳ極が交互となるように複数の永久磁石６ａ〜６ｆを回転方向に沿って配列した回転部１と、複数の永久磁石６ａ〜６ｆと対向するように固定部２に固定され、回転部の磁極位置を検出することが可能な磁気検出素子４とを備えた回転位置検出装置である。磁気検出素子４は、回転部１が１回転する毎に、複数の永久磁石６ａ〜６ｄから１周期の割合で変化する磁束密度の情報を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転位置検出装置及びそれを備えた永久磁石同期モータに関する。

ブラシレスＤＣモータ、ＡＣサーボモータ等の永久磁石同期モータは、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互となるように複数の永久磁石を回転方向に沿って配列したロータと、複数の永久磁石と対向する位置に電機子コイルを設けたステータと、ロータの磁極位置を検出する磁気検出素子とを備え、磁気検出素子が検出したロータの磁極位置の信号に基づいて電機子コイルに電流を供給し、複数の永久磁石を、モータ回転トルク発生用永久磁石として回転磁界を発生させるものである（例えば、特許文献１）。

ここで、永久磁石同期モータは、ロータの回転禁止領域を認識したり、ロータの原点復帰動作を不要にするために、ロータの絶対位置を検出する機能（絶対位置検出機能）が必要となる場合がある。
特許文献１の装置は、ロータの絶対位置検出機能を備えておらず、この機能を備えた永久磁石同期モータとするには、例えばアブソリュートエンコーダなどの検出装置をモータに同軸配置する方法がある（例えば、特許文献２）。

特開平１１−１８７６３３号公報特開２００５−３９８８９号公報

しかし、特許文献２の装置は、アブソリュートエンコーダなどの検出装置を永久磁石同期モータに同軸配置するために、軸長が増大した永久磁石同期モータとなるので、コンパクト化の面で問題がある。
また、外付けによる検出装置を必要とすることで部品点数が増大してしまい、永久磁石同期モータの製造コストの面でも問題がある。
また、永久磁石同期モータ用として使用される従来の回転位置検出装置には、回転部の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なうものが存在していない。

そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、回転部の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なうことができる回転位置検出装置と、ロータの磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なう機能を備えても、コンパクト化及び製造コストの低減化を図ることができる永久磁石同期モータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の発明は、固定部と、Ｎ極及びＳ極が交互となるように複数の永久磁石を回転方向に沿って配列した回転部と、前記複数の永久磁石と前記回転部の軸方向で対向するように前記固定部側に固定され、前記回転部の磁極位置を検出することが可能な磁気検出素子と、を備えた回転位置検出装置において、前記磁気検出素子は、前記回転部が１回転する毎に、前記複数の永久磁石から１周期の割合で変化する磁束密度の情報を検出する。
この発明によると、回転部の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なう装置を提供することができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転検出装置において、前記複数の永久磁石が、前記磁気検出素子との間の距離を前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化させて前記回転部に配列されている。
この発明によると、複数の永久磁石と磁気検出素子との間の距離を段階的に変化させるだけで、回転部が１回転する毎に、複数の永久磁石から１周期の割合で変化する磁束密度の情報を容易に得ることができる。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の回転位置検出装置において、前記回転部及び前記固定部の一方は筒状の部材であり、前記回転部及び前記固定部の他方が、前記一方の筒状の部材の内部に同軸に配置した部材であり、前記複数の永久磁石は、複数の棒状永久磁石であり、これら複数の棒状永久磁石は、長手方向が前記回転部の軸方向に延在し、且つ、前記回転部の回転方向に沿って平行に配列されているとともに、それぞれの長手方向の一端と、前記磁気検出素子との間の距離が段階的に変化している。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の回転位置検出装置において、前記複数の棒状永久磁石が、前記回転部の回転方向に隣接するもの同士の長手方向の長さが異なる部材であり、これら複数の棒状永久磁石の長手方向の一端と、前記磁気検出素子との間の距離が、前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化している。

また、請求項５記載の発明は、請求項３記載の回転位置検出装置において、前記複数の棒状永久磁石の全ては、長手方向の長さが同一の部材であり、長手方向の一端と前記磁気検出素子との間の距離が前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化するように、隣接する前記棒状永久磁石同士の軸方向の位置を異なる位置としている。
これら請求項３から請求項５によると、複数の棒状永久磁石の形状及び配置位置を変更するだけで、回転部が１回転する毎に１周期の割合で変化する磁束密度の情報のパターンを複数得ることができる。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転位置検出装置を備えた永久磁石同期モータであって、前記回転部を、前記複数の永久磁石を回転方向に沿って配列したロータとし、前記固定部を、前記複数の永久磁石と対向する位置に電機子コイルを設けたステータとし、前記複数の永久磁石を、前記電機子コイルへの制御電流の供給により回転磁界が発生するモータ回転トルク発生用の永久磁石として併用している。

この発明によると、軸長が増大せずにコンパクトであり、製造コストの低減化を図った永久磁石同期モータを提供することができる。また、複数の永久磁石を、モータ回転トルク発生用、磁極位置検出用及び絶対位置検出用の永久磁石として使用することができ、部品点数の減少を図ることができる。

本発明に係る回転位置検出装置によると、回転部の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なう装置を提供することができる。
また、本発明に係る永久磁石同期モータによると、軸長が増大せずにコンパクトであり、製造コストの低減化を図った永久磁石同期モータを提供することができる。また、複数の永久磁石を、モータ回転トルク発生用、磁極位置検出用及び絶対位置検出用の永久磁石として使用することができ、部品点数の減少を図ることができる。

本発明に係る永久磁石同期モータを軸に直交する方向から示した断面図である。本発明に係る永久磁石同期モータを軸に沿う方向から示した要部断面図である。本発明に係る永久磁石同期モータのロータに配列されている複数の永久磁石の配列パターンを示す周方向展開図である。本発明に係る永久磁石同期モータの磁気検出素子に入力する信号を示すグラフである。図３と異なる配列パターンでロータに配列されている複数の永久磁石を示す周方向展開図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係る１実施形態としての永久磁石同期モータの構造を示すものである。
本実施形態の永久磁石同期モータはアウタロータ形モータであり、回転自在に配置されたロータ１と、ロータ１の内部空間に同軸に配置されたステータ２と、ステータ２から径方向外方に延在して固定されている検出素子支持部材３の自由端に配置されており、ロータ１の後述する棒状永久磁石６ａ〜６ｆの一端に対向している磁気検出素子４とを備えている。

ロータ１は、中空円筒形状のロータヨーク５と、このロータヨーク５の内周面の周方向に６０°間隔で固定されている６個の棒状永久磁石６ａ〜６ｆとで構成されている。これら棒状永久磁石６ａ〜６ｆは、回転磁界が発生するモータ回転トルク発生用の永久磁石としても併用されている。
ステータ２は、中実円筒形状のステータ本体２ａの外周から周方向に４０°間隔で９個の突極７ａ〜７ｉが形成されており、各突極７ａ〜７ｉに電機子コイル８が巻装されている。なお、図２における符号９の部材は、各突極７ａ〜７ｉの電機子コイル８から磁気検出素子４への磁束の漏れを遮蔽する電磁遮蔽板である。

次に、図３は、ロータ１のロータヨーク５に固定されている棒状永久磁石６ａ〜６ｆの配列パターンを示す周方向展開図である。なお、図３では、ロータ１の回転の１周目を左側の周方向展開図で示し、ロータ１の回転の２周目を右側の周方向展開図で示している。
各棒状永久磁石６ａ〜６ｆは直方体形状の部材であり、長手方向がロータ１の軸線に延在するように向けられ、隣接する部材同士が平行となるように配列されている。

また、各棒状永久磁石６ａ〜６ｆは、ステータ２に対向する面とロータヨーク５に固定された面とが異なる磁極となるように形成されているとともに、隣接する棒状永久磁石同士のステータ２に対向する面が異なる磁極として形成されている。すなわち、図３の一番左側の棒状永久磁石６ａのステータ２に対向する面はＮ極であり、これに隣接する棒状永久磁石６ｂのステータ２に対向する面はＳ極、同様に、棒状永久磁石６ｃ〜６ｆのステータ２に対向する面は、順にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極に設定されている。
ここで、各棒状永久磁石６ａ〜６ｆは、ロータ１の回転方向（図５のロータヨークの左右方向）に隣接するもの同士の長手方向の長さが異なる部材である。

そして、棒状永久磁石６ａ〜６ｆの全ては、磁気検出素子４に対して離間している他端の軸方向位置を一致させ、磁気検出素子４に対向している一端の軸方向位置が、ロータ１の回転方向に沿って段階的に変化している。すなわち、図３のロータ１の回転の１周目を示す左側の周方向展開図において、長手方向の長さが短い一番左側の棒状永久磁石６ａの一端と磁気検出素子４との距離が長く、長手方向の長さが一番長い棒状永久磁石６ｄ（左から４番目）の一端と磁気検出素子４との距離が短く設定され、他の棒状永久磁石６ｂ，６ｃ（左から２番目、３番目）の一端と磁気検出素子４との距離が段階的に長く設定されている。また、長手方向の長さが一番長い棒状永久磁石６ｄ（左から４番目）より右側の棒状永久磁石６ｅ，６ｆは、長手方向の長さが徐々に短く設定され、それらの一端と磁気検出素子４との距離が段階的に短く設定されている。
このように、本実施形態の棒状永久磁石６ａ〜６ｆは、ロータ１の回転方向に沿って、磁気検出素子４との距離が段階的に変化しながらロータヨーク５に配列されている。

また、磁気検出素子４は、ホール素子とその出力信号をデジタル信号に変換するＩＣとがパッケージ化されたホールＩＣなどであり、ロータ１の回転に伴う各棒状永久磁石６ａ〜６ｆの一端の磁束密度を検知することにより、ロータ１の磁極の位置検出を行なう。
そして、磁気検出素子４は、各棒状永久磁石６ａ〜６ｆの磁束密度を検出して制御部（不図示）に出力する。制御部は、磁気検出素子４の検出情報に基づいて、ステータ２の突極７ａ〜７ｉに巻装されている電機子コイル８に制御電流を供給する。各電機子コイル８への制御電流の供給により、ロータ１の棒状永久磁石６ａ〜６ｆが、モータ回転トルク発生用の永久磁石として回転磁界を発生し、ロータ１が回転するようになっている。

ここで、図４は、ロータ１の回転により棒状永久磁石６ａ〜６ｆの磁束密度を検出した磁気検出素子４の出力信号の変化を示すものである。
図４によると、回転するロータ１の磁極位置（図４の磁極信号）を検出することができる。また、本実施形態は、ロータ１が１回転する毎に、各棒状永久磁石６ａ〜６ｆと磁気検出素子４との距離が段階的に変化し、磁気検出素子４が検出する磁束密度を段階的に変化するので、ロータ１が１回転する毎に１周期の割合で変化する出力成分が得られる。この出力成分が得られることで、ロータ１の絶対位置を検出することができる（図４の絶対位置信号）。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の永久磁石同期モータは、ロータ１の絶対位置を検出する方法を、磁気検出素子４が、棒状永久磁石６ａ〜６ｆからロータ１が１回転する毎に１周期の割合で変化する磁束密度の情報が得られるようにし、具体的には、ロータ１の回転方向に沿って磁気検出素子４と棒状永久磁石６ａ〜６ｆとの間の距離が段階的に変化するように配列しただけなので、簡便な方法でロータ１の絶対位置を検出することができる。

また、本実施形態の永久磁石同期モータは、ロータ１の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なうことができるので、従来のようにアブソリュートエンコーダなどの検出装置の外付けが不要となり、軸長が増大せずにコンパクトな永久磁石同期モータを提供することができる。
また、外付けの検出装置が不要となることで部品点数が増大せず、永久磁石同期モータの製造コストの低減化も図ることができる。

さらに、ロータ１の回転方向に沿って磁気検出素子４と棒状永久磁石６ａ〜６ｆとの間の距離を段階的に変化させる構造は、ロータ１の回転方向に隣接する棒状永久磁石６ａ〜６ｆを長手方向の長さが異なる部材とし、棒状永久磁石６ａ〜６ｆの他端の軸方向位置を一致させ、棒状永久磁石６ａ〜６ｆの一端と磁気検出素子４との間の距離を段階的に変化させた簡便な構造としてロータ１を容易に製作することができるので、さらに永久磁石同期モータの製造コストの低減化を図ることができる。

さらにまた、本実施形態の棒状永久磁石６ａ〜６ｆは、モータ回転トルク発生用、磁極位置検出用及び絶対位置検出用の永久磁石として使用されており、部品点数の減少を図ることができる。
ここで、本実施形態の永久磁石同期モータのロータ１、ステータ２、複数の棒状永久磁石６ａ〜６ｆ及び磁気検出素子４が、本発明に係る回転位置検出装置の複数の永久磁石（複数の棒状永久磁石６ａ〜６ｆ）、回転部（ロータ１）、固定部（ステータ２）及び磁気検出素子（磁気検出素子４）に対応しているので、本発明に係る回転位置検出装置は、回転部（ロータ１）の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なう装置を提供することができる。また、本発明に係る回転位置検出装置は、軸長が増大せずにコンパクトな装置であるとともに、製造コストの低減化を図ることができる。

次に、図５は、図３で示したものと異なるロータ１を備えた別の実施形態を示すものである。
本実施形態は、ロータ１のロータヨーク５に固定されている棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆを、直方体形状であって長手方向の長さが同一寸法のものを使用している。
各棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆは、長手方向がロータ１の軸線に延在するように向けられ、隣接する部材同士が平行となるように配列されている。
また、各棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆは、図３で示した棒状永久磁石６ａ〜６ｆと同様に、ステータ２に対向する面とロータヨーク５に固定された面とが異なる磁極となるように形成されているとともに、隣接する棒状永久磁石同士のステータ２に対向する面が異なる磁極として形成されている。

そして、棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆは、隣接するもの同士の軸方向位置を異なる位置としてロータ１の回転方向に沿って段階的に変化している。すなわち、図５のロータ１の回転の１周目を示す左側の周方向展開図において、一番左側の棒状永久磁石１０ａを磁気検出素子４から離れるように配置し、他の棒状永久磁石１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが磁気検出素子４に徐々に近接するように配置されている。また、左から５番目の棒状永久磁石６ｅ，６ｆから磁気検出素子４に徐々に離間するように配置されている。
このように、本実施形態の棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆは、ロータ１の回転方向に沿って、磁気検出素子４との距離が段階的に変化しながらロータヨーク５に配列されている。
本実施形態も、図１から図４で示した実施形態と同様に、コンパクトで製造コストの低減を図ることができる永久磁石同期モータを提供することができる。

また、磁気検出素子４が、棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆからロータ１が１回転する毎に１周期の割合で変化する磁束密度の情報が得られるようにするために、本実施形態は、ロータ１の回転方向に沿って磁気検出素子４と棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆとの間の距離が段階的に変化するように配列しただけなので、簡便な方法でロータ１の絶対位置を検出することができる。

また、ロータ１の回転方向に沿って隣接する棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆを、長手方向の長さが同一の部材とし、且つ、軸方向の位置を異なる位置として配列することで、棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆの一端と磁気検出素子４との間の距離を段階的に変化させた簡便な構造としてロータ１を容易に製作することができるので、さらに永久磁石同期モータの製造コストの低減化を図ることができる。

ここで、本実施形態の永久磁石同期モータのロータ１、ステータ２、複数の棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆ及び磁気検出素子４が、本発明に係る回転位置検出装置の複数の永久磁石（複数の棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆ）、回転部（ロータ１）、固定部（ステータ２）及び磁気検出素子（磁気検出素子４）に対応しているので、本発明に係る回転位置検出装置は、回転部（ロータ１）の磁極位置の検出及び絶対位置の検出を同時に行なう装置を提供することができる。また、本発明に係る回転位置検出装置は、軸長が増大せずにコンパクトな装置であるとともに、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、上述した実施形態の永久磁石同期モータは、ステータ２のスロット数が９で、ロータ１の磁極数が６のもので構成したが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、他のスロット数を備えたステータ、他の磁極数を備えたロータを備えた永久磁石同期モータであってもよい。
また、上述した実施形態の永久磁石同期モータはアウタロータ形モータとして構成したが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、インナロータ形モータであってもよい。

さらに、上述した実施形態では、磁気検出素子４が、ステータ２に固定した検出素子支持部材３の自由端に固定されている構造を示したが、本発明の要旨がこれに限定されるものではなく、例えば、モータ内部保護のために設けたカバー（不図示）に磁気検出素子４が固定され、ロータ１の棒状永久磁石６ａ〜６ｆ（或いは棒状永久磁石１０ａ〜１０ｆ）の一端に対向するようにしてもよい。
さらにまた、上述した実施形態では、ステータ２のステータ本体２ａを中実円筒形状としたが、所定の磁路厚さを設けた上で中心部を中空形状としたステータ本体２ａであってもよい。

１…ロータ（回転部）、２…ステータ（固定部）、２ａ…ステータ本体、３…検出素子支持部材、４…磁気検出素子、５…ロータヨーク、６ａ〜６ｆ…棒状永久磁石（永久磁石）、７ａ〜７ｉ…突極、８…電機子コイル、９…遮蔽板、１０ａ〜１０ｆ…棒状永久磁石（永久磁石）

Claims

固定部と、Ｎ極及びＳ極が交互となるように複数の永久磁石を回転方向に沿って配列した回転部と、前記複数の永久磁石と前記回転部の軸方向で対向するように前記固定部側に固定され、前記回転部の磁極位置を検出することが可能な磁気検出素子と、を備えた回転位置検出装置において、
前記磁気検出素子は、前記回転部が１回転する毎に、前記複数の永久磁石から１周期の割合で変化する磁束密度の情報を検出することを特徴とする回転位置検出装置。
前記複数の永久磁石は、前記磁気検出素子との間の距離を前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化させて前記回転部に配列されていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。
前記回転部及び前記固定部の一方は筒状の部材であり、前記回転部及び前記固定部の他方が、前記一方の筒状の部材の内部に同軸に配置した部材であり、
前記複数の永久磁石は、複数の棒状永久磁石であり、
これら複数の棒状永久磁石は、長手方向が前記回転部の軸方向に延在し、且つ、前記回転部の回転方向に沿って平行に配列されているとともに、それぞれの長手方向の一端と、前記磁気検出素子との間の距離が段階的に変化していることを特徴とする請求項２記載の回転位置検出装置。
前記複数の棒状永久磁石は、前記回転部の回転方向に隣接するもの同士の長手方向の長さが異なる部材であり、これら複数の棒状永久磁石の長手方向の一端と、前記磁気検出素子との間の距離が、前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化していることを特徴とする請求項３記載の回転位置検出装置。
前記複数の棒状永久磁石の全ては、長手方向の長さが同一の部材であり、長手方向の一端と前記磁気検出素子との間の距離が前記回転部の回転方向に沿って段階的に変化するように、隣接する前記棒状永久磁石同士の軸方向の位置を異なる位置としていることを特徴とする請求項３記載の回転位置検出装置。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転位置検出装置を備えた永久磁石同期モータであって、
前記回転部を、前記複数の永久磁石を回転方向に沿って配列したロータとし、
前記固定部を、前記複数の永久磁石と対向する位置に電機子コイルを設けたステータとし、
前記複数の永久磁石を、前記電機子コイルへの制御電流の供給により回転磁界が発生するモータ回転トルク発生用の永久磁石として併用することを特徴とする永久磁石同期モータ。